《3D測量與逆向設(shè)計》項目化教學(xué)探索與實踐*

何 寅

(武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430050)

傳統(tǒng)制造類專業(yè)的測量類課程多以介紹極限配合、尺寸公差、幾何公差，以及對應(yīng)的傳統(tǒng)檢具量具的使用為主要內(nèi)容，而今三維測量和逆向設(shè)計已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車行業(yè)、文物修復(fù)、生物醫(yī)療[1]、精密檢測、航空航天等領(lǐng)域。伴隨3D打印技術(shù)的工藝成熟和應(yīng)用的推廣，先進測量技術(shù)與逆向設(shè)計能力更加符合社會需求，有著廣泛的市場前景，但是缺少相關(guān)的專業(yè)化、綜合性課程[2]。

1 課程設(shè)計

《3D測量與逆向設(shè)計》綜合性創(chuàng)新性地介紹了先進檢測技術(shù)、數(shù)據(jù)處理和逆向設(shè)計，形成了完整的知識結(jié)構(gòu)，基于職業(yè)和工作分析，基于工作過程系統(tǒng)化設(shè)計，基于理論與實踐一體化，基于教學(xué)做評一體化，旨在培養(yǎng)具備現(xiàn)代制造理論及技術(shù)，能在現(xiàn)代裝備制造業(yè)中從事精密檢測檢驗、3D測量、逆向設(shè)計、創(chuàng)新設(shè)計和品質(zhì)管理與維護工作[3]，也可從事企業(yè)質(zhì)量管理體系認證工作的高素質(zhì)技術(shù)技能人才[4]。

課程內(nèi)容和項目載體的設(shè)計立足學(xué)?，F(xiàn)有的實訓(xùn)條件和相關(guān)職業(yè)技能賽項流程和標準，充分考慮行業(yè)發(fā)展、崗位技術(shù)要求[5]。通過組織企業(yè)調(diào)研、回訪畢業(yè)生的就業(yè)情況，了解精密測量和逆向設(shè)計的應(yīng)用行業(yè)及其對應(yīng)的職業(yè)行為、高職生的就業(yè)崗位及能力需求[6]。就業(yè)崗位和職業(yè)行為分析如表1所示，課程項目設(shè)計如表2所示。

表2 課程項目及載體

2 課程實施

以文物修復(fù)案例，介紹課程實施過程。

項目名稱：修舊如舊，文物再造。

以“鼠首”為載體，分“課前探鼠、課中建鼠、課后煉鼠”三大教學(xué)環(huán)節(jié)，從原理認知到具體實操，再到精度提升三個階段，組織教學(xué)，基于認知心理學(xué)，符合學(xué)生學(xué)習(xí)規(guī)律。課中建鼠又分為情境創(chuàng)設(shè)定任務(wù)、案例演示示要點等6個教學(xué)環(huán)節(jié)，學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)，以典型任務(wù)為驅(qū)動，對接行業(yè)標準和規(guī)范，逐步破解重難點[10]。

2.1 課前探鼠

教師播放《十二生肖》電影中三維掃描、逆向設(shè)計和3D打印片段，學(xué)生通過學(xué)習(xí)通APP上逆向設(shè)計原理動畫和文物數(shù)字化案例預(yù)習(xí)，提交關(guān)于逆向設(shè)計過程和應(yīng)用的測試及討論。教師根據(jù)反饋調(diào)整教學(xué)，確定教學(xué)重難點。

2.2 課中建鼠

分為情境創(chuàng)設(shè)定任務(wù)、案例演示示規(guī)范、分組PK測數(shù)據(jù)、按驥索圖建模型、優(yōu)化改進提精度、多維評價促提高六個環(huán)節(jié)。

情境創(chuàng)設(shè)定任務(wù)(15 min)：教師播放巴黎圣母院發(fā)生火災(zāi)的新聞，萬幸大部分文物已經(jīng)轉(zhuǎn)移，而同樣舉世聞名的圓明園當年就沒有那么幸運了。歷史和現(xiàn)實都提醒我們，文物的保存和再造需要新方法。引出本次課任務(wù)，鼠首逆向設(shè)計。學(xué)生觀察鼠首，結(jié)合課前預(yù)習(xí)，確定方案：使用三維測量儀獲得鼠首三維數(shù)據(jù)，運用逆向軟件構(gòu)建三維模型。

案例演示示規(guī)范(45 min)：教師重點講解鼠首深色件采集數(shù)據(jù)方法。學(xué)生分組，組長配合教師演示。經(jīng)過規(guī)范操作演示和教師講解，學(xué)生已基本理解光線和參數(shù)對測量深色零件的影響。

分組PK測數(shù)據(jù)(60 min)：學(xué)生測量數(shù)據(jù)。過程中學(xué)生可隨時通過學(xué)習(xí)通看操作微課、掃設(shè)備二維碼看操作要點。各小組上傳測量過程和測量值，小組之間互相糾錯，PK測量用時，PK錯誤數(shù)量、PK測量效果，師生共同總結(jié)出正確測量數(shù)據(jù)的要領(lǐng)。教師巡視指導(dǎo)，對于用時少，操作錯誤少的小組，教師給予全組點贊加分。

按驥索圖建模型(60 min)：完成測量后，學(xué)生將數(shù)據(jù)導(dǎo)入逆向設(shè)計軟件建模。軟件操作錄屏上傳班課，對于共性問題，小組之間互相糾錯，師生共同總結(jié)歸納逆向設(shè)計的工作流程。

優(yōu)化改進提精度(80 min)：分兩個階段，第一階段檢測找茬，學(xué)生通過虛擬檢測軟件和虛擬制造軟件檢查模型尺寸、形狀結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵細節(jié)，查漏補缺[11]。第二階段優(yōu)化改進，根據(jù)問題及原因，學(xué)生回看操作視頻，師生共同總結(jié)拼合要點口訣。各組補測數(shù)據(jù)、優(yōu)化改進。

多維評價促提高(10 min)：結(jié)合分組測量PK結(jié)果、檢測對比結(jié)果、規(guī)范操作流程互評、學(xué)習(xí)平臺任務(wù)完成情況。多維評價機制，客觀公正。

2.3 課后煉鼠

學(xué)生總結(jié)歸納本節(jié)課的知識點、技能點，完成任務(wù)書，上傳班課。教師發(fā)布拓展任務(wù)，各組完成十二生肖所有獸首的逆向設(shè)計，對于最優(yōu)模型，3D打印出復(fù)制品，作為獎勵。

3 課程資源

截止目前，已建成原創(chuàng)教學(xué)資源50個教學(xué)視頻、12個教學(xué)動畫、81個教學(xué)PPT，課程簡介、授課計劃、教學(xué)設(shè)計、考核方案各一份，關(guān)聯(lián)9家企業(yè)信息。

課程于2018年11月上線超星網(wǎng)絡(luò)平臺面向校內(nèi)開課，2019年10月開始上線超星學(xué)銀在線平臺面向社會開課，通過系統(tǒng)設(shè)計、先進技術(shù)支撐、開放式管理、網(wǎng)絡(luò)運行和持續(xù)更新的方式推廣應(yīng)用。目前正在進行第四期開課，用戶800人，訪問量939783次。

2020年2月，為響應(yīng)教育部提出的“停課不停教、不停學(xué)”，共同應(yīng)對疫情，促進優(yōu)質(zhì)資源共享，本課程授權(quán)在超星教學(xué)平臺上發(fā)布成示范教學(xué)包，共享給廣大師生免費參考和使用，一起保障網(wǎng)課順利建設(shè)運行，共度難關(guān)。

4 總結(jié)

《3D測量與逆向設(shè)計》課程實施過程中，線上線下同時進行。包括課程引入階段、咨詢互動階段、學(xué)中做加過程考核、做中學(xué)加項目考核四個環(huán)節(jié)。并且在課程結(jié)束后，結(jié)合線上統(tǒng)計數(shù)據(jù)和線下教學(xué)情況，進行問題反饋、效果分析、資源更新、教學(xué)改進[12]。

在課程學(xué)習(xí)階段，理論基礎(chǔ)部分、系統(tǒng)構(gòu)成部分、工作原理部分均采用教師講解配合動畫演示，使學(xué)生由對精密測量和逆向設(shè)計的感性認識逐漸上升到對關(guān)鍵技術(shù)和操作原理的理解，為實操項目和學(xué)習(xí)目的做好鋪墊。

設(shè)備和軟件操作的項目載體由易到難，項目學(xué)中做，主要使學(xué)生在實操練習(xí)和在線測試中，掌握設(shè)備操作的規(guī)范流程，培養(yǎng)學(xué)生的職業(yè)素養(yǎng)和分工協(xié)作溝通能力；項目做中學(xué)，主要使學(xué)生在案例考核中，能夠獨立完成任務(wù)分析、方案制定、測量檢驗、逆向建模的系統(tǒng)工作，培養(yǎng)學(xué)生職業(yè)技能和對問題的分析解決反思的能力。

課程結(jié)束后，根據(jù)線上學(xué)生信息化資源的使用率和完成率，互動討論集中問題的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，線下學(xué)生課堂表現(xiàn)和項目完成效果，以及綜合考評分數(shù)，教師團隊進行問題反饋和效果分析。對于討論較多的問題和出錯較多的題目，編入問題庫并設(shè)置專題考試；對于使用率較少的信息化資源，了解原因，適當進行更新或優(yōu)化；對于完成效果達標率較低的項目，進一步細化教師演示和加強學(xué)生訓(xùn)練。運用問題反饋、效果反思、改革更新的機制，使教和學(xué)變得更有效，為學(xué)生將來從事精密檢測和逆向設(shè)計工作提供知識和能力支撐。